นิวเมติกส์ (Pneumatics) คืออะไร? หลักการใช้เป็นแบบไหน?

“นิวเมติกส์” อีกหนึ่งเทคโนโลยีที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรม ที่จะพบได้ในเครื่องมือที่ใช้ลมอัดในอุปกรณ์ไฟฟ้า ระบบเบรกลม และอื่น ๆ อีกมากมาย แล้ว ระบบนิวเมติกส์ คืออะไร? หลักการทำงาน และมีประโยชน์อย่างไรบ้าง? เรามีคำตอบมาบอกกัน

นิวเมติกส์ (pneumatic) หรือเรียกกันว่า “ระบบลม” เป็นระบบที่ใช้อากาศอัดส่งไปตามท่อลม เพื่อเป็นตัวกลางในการถ่ายทอดกำลังงานของไหลให้เป็นกำลังงานกลในการทำงานสำหรับอุปกรณ์ต่าง ๆ เช่น วาล์วลม กระบอกสูบลม ชุดกรองลม ซึ่งเป็นอุปกรณ์ประกอบพื้นฐาน ระบบนิวเมติกส์ นั่นเอง

ปัจจุบัน Pneumatic มีการประยุกต์ใช้งานที่หลากหลาย ตั้งแต่ระบบกระบอกสูบลม มอเตอร์ลม ไปจนถึงการทำงานในเครื่องจักรขนาดใหญ่ จะนิยมใช้กันอย่างแพร่หลายในโรงงานอุตสาหกรรมต่าง ๆ และพัฒนาให้ใช้การผลิต ระบบอัตโนมัติ (Automation) เพื่อความรวดเร็ว ลดความผิดพลาดในกระบวนการผลิต เพิ่มระยะเวลาทำงาน ลดต้นทุนแรงงานได้

อุตสาหกรรมและการใช้งานที่มีการใช้ระบบนิวเมติกส์ คือ

• อุตสาหกรรมการผลิต สําหรับการจัดการวัสดุ บรรจุภัณฑ์ และการประกอบ
• อุตสาหกรรมยานยนต์ ถูกใช้ในระบบเบรก ระบบกันสะเทือน และระบบส่งกำลัง เช่น เบรกลมในรถโดยสารที่ใช้ระบบนิวเมติกส์
• อุตสาหกรรมอาหารและเครื่องดื่ม ใช้สําหรับลําเลียง บรรจุ
• อุตสาหกรรมการแพทย์และเภสัชกรรม ใช้ในการขนส่ง บรรจุ หีบห่อ และใช้ระบบนิวเมติกเป็นแหล่งพลังงานหลักในอุปกรณ์ทางการแพทย์ เช่น เครื่องช่วยหายใจ เครื่องวัดความดันโลหิต และเครื่องมือทันตกรรม เป็นต้น
• อุตสาหกรรมการก่อสร้าง นำมาใช้กับเครื่องมือไฟฟ้า และอุปกรณ์ต่าง ๆ

ระบบนิวเมติกส์มีส่วนประกอบหลัก 5 ส่วน คือ

1. คอมเพรสเซอร์ (Compressor) เป็นส่วนประกอบที่มีความสำคัญต่อการทำงานของระบบนิวเมติกส์ ที่เปลี่ยนอากาศธรรมดาให้เป็นอากาศอัด โดยบีบให้มีความดันบรรยากาศประมาณ 7-10 เท่า หรือ 100-150 psi เป็นจุดเริ่มต้นสำหรับวงจรนิวเมติกส์เป็นบิตที่นำพลังงานเข้าสู่ระบบ แปลงพลังงานให้มีแรงดัน เพื่อนำไปใช้ในการเคลื่อนที่นั่นเอง

2. ถังเก็บลมอัด (Air tank) คือ ที่กักเก็บลมอัดที่ได้จากเครื่องอัดอากาศ หรือปั๊มลม มีหน้าที่ช่วยระบายความร้อนของลมอัด ช่วยกลั่นไอน้ำ เมื่อลมอัดถูกส่งออกมาจากเครื่องอัดอากาศ

3. ชุดกรองลม (Air Service Unit) คือ อุปกรณ์ที่ทำหน้าที่เตรียมลม ปรับปรุงคุณภาพลม ให้พร้อมใช้งานในระบบนิวเมติกส์ ตั้งแต่ความคุมความสะอาด เพื่อป้องกันเศษฝุ่นต่าง ๆ เข้าไปในะระบบลม รวมถึงการควบคุมระดับของความดัน หรือแรงดันลมให้คงที่ตามความต้องการ ชุดกรองลมในระบบนิวเมติกส์ FRL นั้น มีองค์ประกอบอยู่ 3 ส่วน คือ

• F (Fillter) ฟิลเตอร์ตัวกรองอากาศ อุปกรณ์กรองอากาศ (Air Filter)
• R (Regulator) หัวปรับความดันลม ตัวปรับแรงดันลม ชุดปรับแรงดันลม (Air Regulator)
• L (Lubricator) ชุดจ่ายน้ำมันหล่อลื่น ตัวจ่ายน้ำมันหล่อลื่น

4. โซลินอยด์วาล์ว (Solenoid Valve) อุปกรณ์ควบคุมการปรับเปลี่ยนตำแหน่งในระบบนิวเมติกส์ มีหน้าที่ควบคุมทิศทางการไหลของเหลว ลม และก๊าซให้เคลื่อนที่ไปตามทิศทางที่ต้องการได้อย่างแม่นยำ และรวดเร็ว

5. อุปกรณ์ที่นำลมอัดไปใช้เพื่อสร้างพลังงานกล ประกอบด้วย

• แอคทูเอเตอร์ (Actuator) มีหน้าที่แปลงสัญญาณควบคุม ให้เป็นการเคลื่อนไหวทางกล โดยมีการหมุนเคลื่อนที่ในองศา ตั้งแต่ 45, 90, 180, 270, 360 องศา รวมทั้งใช้สำหรับการเปิด-ปิด บอลวาล์ว
• กระบอกลม (Air Cylinder) ทำหน้าที่เปลี่ยนจากพลังงานลมให้เป็นพลังงานกล คือ เอาลมจ่ายเข้าที่ท้ายกระบอก ลมจะไปพลักลูกสูบทำให้ลูกสูบเคลื่อนที่ แกนที่ติดกับลูกสูบจะเคลื่อนที่ไปด้วย เพื่อพลัก ดัน ดึง ชิ้นงานได้
• มอเตอร์ (Motor) เป็นเครื่องใช้ไฟฟ้าที่เปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานกล ประกอบด้วยขดลวดที่พันรอบแกนโลหะที่วางอยู่ระหว่างขั้วแม่เหล็ก เมื่อผ่านกระแสไฟฟ้าเข้าไปยังขดลวดที่อยู่ระหว่างขั้วแม่เหล็ก จะทำให้ขดลวดหมุนไปรอบแกน และเมื่อสลับขั้วไฟฟ้าการหมุนของขดลวดจะหมุนกลับทิศทางเดิม

โดยหลักการทำงานของระบบนิวเมติกส์ คือ การดูดเอาอากาศภายนอกจากชั้นบรรยากาศเข้ามาทำความสะอาด และฟอกให้อากาศบริสุทธิ์ผ่านตัวกรองอากาศ ⭢ จากนั้นเครื่องอัดอากาศ (คอมเพรสเซอร์) ที่ขับเคลื่อนด้วยพลังงานกลที่ผลิตโดยมอเตอร์ไฟฟ้า จะทำหน้าที่เพิ่มความดันอากาศ ลดระดับเสียง ⭢ ส่งลมอัดไปยังเครื่องทำความเย็นอากาศ ช่วยลดอุณหภูมิ (โดยความดันยังคงที่) และจัดเก็บไว้ในถังรับ หรือถังแรงดัน ⭢ เมื่อต้องการใช้งานระบบนิวเมติกส์ ลมอัดนี้จะถูกส่งต่อไปยังห้องบำบัด หรือน้ำมันหล่อลื่นตัวกรอง (FRL) เพื่อทำให้ลมอัดเป็นลมแห้ง ⭢ ส่งไปยังวาล์วควบคุม เพื่อเปลี่ยนทิศทางการไหลตามความต้องการ (ไหลไปทางเครื่องจักร หรือระบบที่ต้องการใช้งานลมอัด) ⭢ ท้ายสุดคือ ตัวกระตุ้น หรือ แอคทูเอเตอร์ (Actuators) จะทำหน้าที่ควบคุมทิศทาง ปริมาณ และความดันอากาศที่ต้องการใช้ในงานอุตสาหกรรมต่อไปนั่นเอง

ระบบนิวเมติกส์นั้น มักถูกเลือกเพื่อใช้งานในอุตสาหกรรมหลากหลาย ด้วยประโยชน์ที่มีมากมาย ดังนี้

• มีความน่าเชื่อถือด้านความทนทาน เพราะทนต่อการกระแทก การสั่นสะเทือนได้ดี และไม่ถูกผลกระทบจากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ หรือความชื้น เหมาะสำหรับการใช้งานในสภาพแวดล้อมที่ท้าทาย เช่น อุตสาหกรรมการก่อสร้าง เป็นต้น
• มีความปลอดภัย ลดความเสี่ยงให้ผู้ใช้งานได้ เพราะไม่สร้างประกายไฟ หรือความร้อน ช่วยลดอันตรายจากการระเบิด หรือไฟไหม้ ใช้งานได้ในสภาพแวดล้อมที่มีความเสี่ยงได้
• มีความคุ้มค่า มีราคาที่ถูกกว่าระบบอื่น ๆ ทั่วไป เพราะใช้ส่วนประกอบน้อย ติดตั้งง่าย และบำรุงรักษาง่าย จึงมีอายุการใช้งานที่ยาวนานกว่า
• มีความยืดหยุ่น สามารถออกแบบ ปรับแต่งให้ทำงานได้หลายแบบ เพื่อรองรับการเปลี่ยนแปลงในกระบวนการผลิต จึงเหมาะสำหรับการใช้งานในพื้นที่ที่มีข้อจำกัด
• มีประสิทธิภาพ ทำงานได้อย่างแม่นยำ และสม่ำเสมอ นอกจากนี้ ยังสามารถใช้ในการจ่ายไฟฟ้าให้กับหลาย ๆ ส่วนประกอบพร้อม ๆ กันได้ ช่วยลดความต้องการใช้แหล่งพลังงานเพิ่มเติม จึงเป็นประโยชน์มากในสภาพแวดล้อมการทำงานที่ห่างไกล

นอกจากนี้ ระบบนิวเมติกส์ถือเป็นอีกหนึ่งทางเลือกที่ดีกว่าระบบไฟฟ้า เพราะใช้อากาศอัดหรือก๊าซ เพื่อส่งและควบคุมพลังงาน จึงไม่เป็นอันตราย สำหรับเครื่องจักรไฟฟ้า จะต้องใช้ไฟฟ้าเป็นตัวควบคุมหลัก จึงมักจะกังวลเกี่ยวกับการเกิดไฟไหม้ มีความเสี่ยงในสภาพแวดล้อมที่มีความผันผวน โดยเฉพาะเมื่อใช้งานกับสารไวไฟ อย่างน้ำมันเบนซิน หรือดีเซล อาจทำให้เกิดอันตรายได้

ข้อดีของระบบนิวเมติกส์

• การเคลื่อนที่ในแนวตรง ของระบบนิวเมติกส์จะทำงานได้ดี และใช้อุปกรณ์ทำงานประเภทกระบอกลมนิวเมติกส์ ไม่จำเป็นต้องใช้ระบบแมคคาทรอนิกส์เข้ามาช่วย
• อุปกรณ์นิวเมติกส์มีน้ำหนักเบา ง่ายต่อการติดตั้ง และบำรุงรักษา
• ไม่ก่อให้เกิดมลพิษต่อสิ่งแวดล้อม เพราะใช้อากาศอัดเป็นพลังงาน มีต้นทุนต่ำ และการบำบัดก๊าซไอเสียได้ง่าย
• ระบบเบรก หรือการหยุดในระบบนิวเมติกส์ทำได้ง่าย สามารถปรับตั้งค่าระยะชักตามตำแหน่งที่ต้องการ ก็สามารถทำให้เครื่องหยุดตามตำแหน่งที่ปรับได้ และยังสามารถปรับแต่งระยะชักของก้านสูบให้สั้นหรือยาวได้ตามความต้องการอีกด้วย
• การปรับความเร็วในการทำงานได้ เพราะความเร็วของกระบอกลมนิวเมติกส์โดยทั่วไปจะน้อยกว่า 1 M/S แต่ถ้าหากต้องการความเร็วสูงขึ้นมากกว่านี้ จะต้องใช้ลูกสูบชนิดพิเศษ ซึ่งมีความเร็วถึง 10 M/S ซึ่งเร็วกว่าโหมดไฮดรอลิค และโหมดไฟฟ้า
• สามารถปรับความดันลมอัดให้มีค่ามาก-น้อย ได้ตามต้องการ โดยใช้อุปกรณ์ควบคุมความดัน
• ในระบบนิวเมติกส์จะมีความสะอาด เนื่องด้วยก่อนการใช้งานจะต้องปรับคุณภาพลมก่อนใช้งานทุกครั้ง
• มีความปลอดภัยสูง เพราะอุปกรณ์นิวเมติกส์ไม่เกิดการเสียหายถึงแม้ว่าจะใช้งานเกินกำลัง (over load) เมื่อเกิดปัญหาในวงจร ก็ไม่เกิดอันตราย

ข้อเสียของระบบนิวเมติกส์

• มีเสียงดัง เมื่อมีการป้อนลมเข้าไปในระบบการควบคุม อุปกรณ์ทำงานต่าง ๆ จะต้องระบายลมออกมาทางวาล์วควบคุม แม้ว่าวาล์วจะมีการเก็บเสียงแล้วก็ตาม ก็อาจจะทำให้มีเสียงดังขณะเครื่องจักรทำงานได้
• เครื่องจักรอาจทำงานคลาดเคลื่อนได้ หากมีการเพิ่มอุปกรณ์นิวเมติกส์เข้ามาโดยไม่คำนึงถึงความสามารถของเครื่องอัดลม
• ความดันของลมเปลี่ยนแปลงเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง เนื่องจาก ความดันของลมจะมีค่าเพิ่มขึ้น เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น และความดันจะลดลง เมื่ออุณหภูมิลดลง เป็นผลทำให้การควบคุมในระบบเปลี่ยนแปลงได้
• อาจเกิดสนิมกับตัวทำงาน และวาล์วต่าง ๆ เพราะลมอัดมีความชื้น เนื่องจากเมื่อลมอัดถูกทำให้เย็นลงหลังจากการอัดเข้าในถังเก็บ ซึ่งจะทำให้เกิดการกลั่นตัวเป็นหยดน้ำ เมื่อความชื้นเข้าไปในระบบการควบคุม เกิดเป็นความชื้นส่งผลให้เกิดสนิม และอาจทำให้อายุการใช้งานอุปกรณ์สั้นลงได้
• ขีดจำกัดของลูกสูบ อาจทำให้ใช้แรงไม่เป็นตามต้องการ เพราะถ้าต้องการแรงในการใช้งานมาก เส้นผ่านศูนย์กลางของลูกสูบจะต้องใหญ่ขึ้น เพื่อที่จะให้ได้แรงตามต้องการ ซึ่งลูกสูบในระบบนิวเมติกส์จะมีขีดจำกัดอยู่นั่นเอง

• การตรวจสอบและทำความสะอาดระบบ เช่น ตรวจสอบการรั่วไหลของลมตามจุดเชื่อมต่อต่าง ๆ เช่น วาล์ว ท่อ และข้อต่อ ทำความสะอาดตัวกรองอากาศ และล้างหรือเปลี่ยนไส้กรองอากาศตามระยะเวลาที่กำหนด
• ตรวจสอบและเติมน้ำมันหล่อลื่นในตัวเครื่องจักร เช่น กระบอกสูบ วาล์ว และอุปกรณ์อื่น ๆ พร้อมเช็กระบบการหล่อลื่นอัตโนมัติว่าทำงานปกติหรือไม่
• ตรวจสอบการทำงานของอุปกรณ์ เช่น วาล์วต่าง ๆ ว่ายังทำงานได้ถูกต้องหรือไม่ การเคลื่อนไหวของกระบอกสูบมีการติดขัดหรือไม่
• ตรวจสอบแรงดันอากาศในระบบว่าอยู่ในช่วงที่กำหนดหรือไม่ และเช็กระบบการทำงานของตัวควบคุมแรงดันและตัวปรับแรงดันอากาศ
• ตรวจสอบเปลี่ยนชิ้นส่วนที่เสียหายหรือมีการสึกหรอ เช่น ปะเก็น โอริง และซีล
• การบันทึกข้อมูลการบำรุงรักษาในแต่ละครั้ง เพื่อตรวจสอบประวัติ และวางแผนการบำรุงรักษาในอนาคต

เรียกได้ว่า ระบบนิวเมติกส์ และ ระบบไฮดรอลิก มีความสัมพันธ์ที่เป็นลักษณะของพลังงานของไหลเหมือนกัน เพื่อสร้างกำลังหรือแรง แต่จะมีตัวกลางที่ใช้แปลงพลังงานกล จะแตกต่างกัน ดังนี้

ระบบนิวเมติกส์

• จะใช้ก๊าซหรืออากาศอัด เป็นตัวกลางในการแปรพลังงาน
• การทำงานแบบระบบเปิด มีแรงดันการใช้งานอยู่ที่ 100 psi
• การหล่อลื่นระบบทำงาน จะต้องมีการจัดเตรียมน้ำมันแยก
• การบำรุงรักษา การซ่อมแซมระบบ มีราคาถูก และประหยัด

ระบบไฮดรอลิก

• จะใช้ของเหลวที่มีแรงดัน เช่น น้ำ น้ำมันปิโตรเลียม และน้ำมันเครื่องสังเคราะห์
• การทำงานแบบระบบปิด มีแรงดันการใช้งานอยู่ที่ 500-5000 psi
• สามารถหล่อลื่นตัวเองได้ เพราะใช้น้ำมันหลายชนิด
• การบำรุงรักษา การซ่อมแซมระบบมีค่าใช้จายที่สูง

เมื่อได้รู้จักกับ นิวเมติกส์ คืออะไร? ประโยชน์ และหลักการทำงาน ข้อดี-ข้อเสียต่าง ๆ กันแล้ว สรุปสั้น ๆ เพื่อความเข้าใจก็คือ เป็นระบบที่ใช้พลังงานลมเปลี่ยนเป็นพลังงานกล ซึ่งนิยมใช้กันมากในงานอุตสาหกรรม โดยเฉพาะด้านการขับเคลื่อน การควบคุมเครื่องจักร และอุปกรณ์เครื่องช่วยต่าง ๆ ที่สามารถใช้แทนแรงงานคนนั่นเอง เรียกได้ว่า ระบบนิวเมติกส์ในงานอุตสาหกรรม ล้วนแล้วแต่มีความจำเป็น และส่งผลต่อคุณภาพการผลิตสินค้าอย่างแท้จริง

• โซลินอยด์วาล์ว (Solenoid Valve) คืออะไร? นำไปใช้งานอย่างไร?
• รู้จักกับ “วาล์ว” แต่ละประเภท เหมาะกับการใช้งานอะไร
• บอลวาล์ว คือ ? มีกี่ประเภท เลือกใช้ในงานประปาอย่างไร